CN112614667A - 一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，涉及所述电抗器的铁芯由硅钢材料与铁硅铝材料组合而成。所述电抗器的低压绕组与高压绕组绕制在由铁硅铝材料制成的磁粉芯部分。所述高压绕组位于低压绕组的外侧。所述电抗器的高压侧与绝缘避雷线相连，所述电抗器的低压侧为后接负载供电。本发明在利用绝缘地线静电感应电压进行取能时，加装本发明的电抗器可以有效提升获取到的取能功率，并将电抗器上的电压维持在一定范围内。

Description

一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器

技术领域

本发明涉及高压工程技术领域，特别是一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器。

背景技术

我国的电网具有覆盖范围广，输电线路长的特点。高压输电线路是整个输电网络的动脉，其运行状态决定了整个输电系统的安全性和稳定性。一旦发生故障，将导致整条线路停电，甚至使区域电网解列，这不仅直接影响电网的可靠性，还会造成重大的经济损失。输变电线路长期处于复杂多变的自然环境中，不确定因素包括多变的气候条件(雨，雪，冰冻，风等)，地理因素(地震，山体滑坡等)，以及人为损坏(盗窃，损坏)等。它对输变电系统的安全稳定运行产生巨大影响。因此，对高压输电线路的运行状态进行实时在线监测和相关的预警，对于确保其安全运行非常重要。

基于传输线的上述特性，更需要监视恶劣天气条件和区域内复杂的地理因素的传输线的实时运行状态。但是，传输线走廊通常位于偏远地区，并且缺少用于监视设备的低压电源。

面对缺少低压电源的局限性，传输线监控设备应具有独立的电源，并可以考虑从周围环境中收集能量以进行电源供应。当前，可用于传输线在线监测装置供电的环境能源主要包括太阳能，风能和电磁能。

目前，大多数输电线路在线监测设备均由太阳能供电，太阳能通过光伏板将光能转换为电能。然而，根据光伏电池电源的原理和特性，太阳能采集电源的输出容易受到光强度和环境温度等因素的影响。为了获得稳定的功率输出并且设备可以在极端气候条件下正常工作，光伏电池和电池必须形成一个组合的电源系统。为了确保在线监控设备能够长时间正常工作，需要进行大量维护工作，并及时更换性能下降的电池。另外，长期运行后，积聚在太阳能电池板上的灰尘不容易清除，这将削弱太阳能电池的转换效率。

在偏远地区难以实现架设专用低压线路的高额费用，因此不宜推广。激光电源是一种可以恒定功率供电的新型电源方式，但是其成本高，寿命短并不是理想的电源方式。因此，在这种情况下如何保证对在线监测设备的正常供电已成为制约输电线路在线监测设备发展的技术瓶颈。

地线取能是近年来国内外开始进行研究的一种颇具潜力的架空输电线路在线监测装置供电方式，该种取能方式操作简单，仅通过架空输电线路包含的两根地线便可进行能量的汲取。典型的架空输电线路通常包含两根地线，一根为逐塔接地的光纤复合架空地线(OPGW)，另一根为分段绝缘、单点接地的普通地线。对于该类接地方式，由于地线接地，可利用相导线产生交变磁场激发的涡旋感应电势进行取能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，在利用绝缘地线静电感应电压进行取能时，加装本发明的电抗器可以有效提升获取到的取能功率，并将电抗器上的电压维持在一定范围内。

本发明采用以下方案实现：一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，所述电抗器的铁芯由硅钢材料与铁硅铝材料组合而成。

进一步地，所述电抗器的低压绕组与高压绕组绕制在由铁硅铝材料制成的磁粉芯部分。

进一步地，所述高压绕组位于低压绕组的外侧。

进一步地，所述电抗器的高压侧与绝缘避雷线相连，所述电抗器的低压侧为后接负载供电。

进一步地，由所述铁硅铝材料构成的铁芯部分定义为磁粉芯，所述磁粉芯的长度l₂由下式计算得到：

式中，L为设定的目标电感值，S为铁芯的横截面积，N为电抗器高压侧绕组的匝数，μ₀为真空的相对磁导率，μ_r1为硅钢材料的相对磁导率，μ_r2为铁硅铝材料的相对磁导率，l₁为铁芯的总的铁芯磁路长度。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明利用铁硅铝材料的软饱和磁滞回线特性，将硅钢材料与铁硅铝材料结合使用，可以有效抬高取能功率，并同时限制电抗器上的电压，在以后在线监测装置应用愈发广泛并且所需功率有较大提升的情况下，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的电抗器原理结构示意图。

图2为本发明实施例的简化电路原理图。

图3为本发明实施例的效果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，所述电抗器的铁芯由硅钢材料与铁硅铝材料组合而成。在利用此电抗器进行地线静电感应电压取能时，由于铁硅铝材料具有软饱和特性，在外界参数条件变化时其电感量不会发生大幅变动，可以实现在提高取能功率的同时保证电抗器上的电压限制在一定范围内。

在本实施例中，所述电抗器的低压绕组与高压绕组绕制在由铁硅铝材料制成的磁粉芯部分。所述高压绕组位于低压绕组的外侧。所述电抗器的高压侧与绝缘避雷线相连，所述电抗器的低压侧为后接负载供电。

在本实施例中，由所述铁硅铝材料构成的铁芯部分定义为磁粉芯，所述磁粉芯的长度l₂由下式计算得到：

式中，L为设定的目标电感值，S为铁芯的横截面积，N为电抗器高压侧绕组的匝数，μ₀为真空的相对磁导率，μ_r1为硅钢材料的相对磁导率，μ_r2为铁硅铝材料的相对磁导率，l₁为铁芯的总的铁芯磁路长度。

本实施例的设计原理如下：

首先，通过下式求得绝缘避雷线的感应电压：

式中，U_G为绝缘避雷线的感应电压，U为输电线路工况下的电压，C₁为绝缘避雷线与导线之间的电容，C₂为绝缘避雷线与大地之间的电容。

基于绝缘避雷线感应电压大小及相间耦合电容，根据下式可以计算得出目标补偿电感L的大小：

式中，C_eq为相间电容；ω为输电线路的工频，ω＝2πf，f＝50HZ；

基于补偿电感大小，按照如下公式设计参数自适应调节的调谐取能电抗器的尺寸与参数：

式中，N为电抗器高压绕组的匝数，K_f是常数；B_m表示最大磁通量；L为补偿电感；S是磁芯的横截面积；R_m是磁阻。

了计算组合磁芯的电感量，需要将磁阻的计算方法进一步进行变换，如下所示：

式中，μ₀，μ_r1和μ_r2分别是真空，硅钢和粉磁芯的相对磁导率；l₁，l₂分别为总的铁芯磁路长度和粉芯的长度。结合以上公式，可计算出调谐电抗器的电感如下：

当磁芯中的总磁路长度和磁芯的截面积确定后，便可以依照上述公式计算得出所需目标电感量下的由铁硅铝材料制成的磁粉芯的长度。

较佳的，考虑到取能系统安装的位置需安装在架空输电线路的杆塔之上，需要将整体取能系统设计得尽量小，所以考虑电抗器在起到调谐电感进行补偿作用得同时，兼具电压转换作用，在设计电抗器时，铁芯左侧作为高压绕组的缠绕端，为了起到自适应式的调谐效果，铁芯左侧部分位置使用铁硅铝材料进行填充；低压绕组的缠绕端一同绕制在铁芯左侧位置(高压侧绕组内部)，其与高压绕组的变比即变压器变比k可按照线路需要的电压等级进行计算后确定。在使用此电抗器进行取能时，首先将绝缘避雷线通过电缆引出，直接接至电抗器高压侧，在其后端直接接入在线监测装置为其提供电能。

图2为本实施例的电路原理示意图，首先通过35kV单芯高压电缆将此电抗器高压侧一端直接与绝缘避雷线连接，将绝缘避雷线上的感应电压引入取能系统，另外一端接杆塔或直接接地，其中高压侧电压大约为13kV左右。在本实施例中，一次绕组匝数N₁，二次绕组匝数N₂可依据负载模块需求进行调整。通过降压变压，可将绝缘避雷线上的感应到的电压变为可利用的低压，同时将小电流变换为大电流。

图3是本发明的理论效果图。当相间耦合电容由C_eq增大到C_eq+ΔC时，由于铁硅铝材料的软饱和特性，此时电抗器的电感会由L₀减小到L₁，工作点从点A变为点B，而不会升至点B'。尽管在点B处的输出功率小于在点B'处的输出功率，但电压也会降低以避免过电压。相反，当等效电容从C_eq减小到C_eq-ΔC时，调谐电抗器的电感从L₀增大到L₂，实现了自适应的负反馈调节效果。

以某220kV地线全绝缘化改造的输电线路为例，利用公式计算出该取能段的等效电路参数：U_G＝13.1kV，C_eq＝19.4nF，带入上面的公式计算得到L的取值为522H，为获取约1000W的取能功率，可将调谐电抗器的目标电感量设置为350H。为了获得上述的目标电感量，并同时实现自适应的调谐功能和电压转换功能，在电抗器铁芯中加入铁硅铝材料实现等效磁路的延长。考虑到安装的便利性，在设计电抗器铁芯时，需要控制其大小与重量，使其方便安置在架空输电线路的杆塔上，并尽量减少其对杆塔的压力。同时考虑上述因素后，将铁芯结构参数设置为：铁芯截面积为0.01m²，长×宽×高＝27cm×27cm×10cm，铁芯主体使用牌号为B23P090的硅钢材料制作。

利用说明中的公式进行计算，在此铁芯结构参数设置的情况下，即K_f为固定值4.44，B_m为设计时考虑的最大磁通1.55T，铁芯截面积(即m×n＝10cm×10cm)为0.01m²，长×宽×高＝27cm×27cm×10cm时，可以计算得到目标电感量所需的高压绕组数为6000匝，在考虑到铁芯重量及安全性的情况下，使用线径0.33mm的导线进行绕制。

利用说明中的公式进行计算，在此铁芯结构参数设置的情况下，即铁芯磁路长度l₁＝0.68m，高压绕组数6000匝，μ_r1，μ_r2分别为55700与26.526时，计算得到达到目标电感量所需填充的铁硅铝材料的长度l₂＝34mm，同时其低压侧绕组匝数的设置需考虑到后续在线监测装置电压要求，设置其变比为187：1，即6000：32，得到低压侧绕组匝数为32匝，考虑铁芯重量及安全性，使用线径2.33mm的导线进行绕制。

按照此参数设计而成的电抗器，其在架空输电线路由于气象条件因素发生改变导致相间耦合电容发生变化时起到一定的自适应调谐效果，即电感量会跟随耦合电容的电容量进行一定的调整，具体实现方式如图3。

在本实例中，调谐电抗器可以根据取能系统的需求，在负载模块阻抗及相间耦合电容同时变化的情况下，提供最少300W，至多1000W左右的功率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，其特征在于，所述电抗器的铁芯由硅钢材料与铁硅铝材料组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，其特征在于，所述电抗器的低压绕组与高压绕组绕制在由铁硅铝材料制成的磁粉芯部分。

3.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，其特征在于，所述高压绕组位于低压绕组的外侧。

4.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，其特征在于，所述电抗器的高压侧与绝缘避雷线相连，所述电抗器的低压侧为后接负载供电。

5.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调节功能的地线调谐取能电抗器，其特征在于，由所述铁硅铝材料构成的铁芯部分定义为磁粉芯，所述磁粉芯的长度l₂由下式计算得到：

式中，L为设定的目标电感值，S为铁芯的横截面积，N为电抗器高压侧绕组的匝数，μ₀为真空的相对磁导率，μ_r1为硅钢材料的相对磁导率，μ_r2为铁硅铝材料的相对磁导率，l₁为铁芯的总的铁芯磁路长度。

Images